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1、1盾构选型中大漂石的影响及处理摘 要介绍了地铁施工时大漂石对盾构机选型的影响、大漂石的行为预测和处理。关键词盾构；大漂石；软土隧道；行为预测泥水盾构和土压平衡盾构施工技术在过去的几十年里获得了巨大的技术进步。然而，在盾构隧道施工中仍有许多需要解决的难题，土壤中混有大漂石就是其中的一个重要问题。如成都地铁 1 号线区间隧道大部分地段通过中密密实的砂卵石地层，其卵石含量高，且大粒径卵石含量较多，据试验段地质详勘报告和全线地质咨询报告，已发现最大漂石粒径 670mm，在局部地段大粒径漂石富集成群。大漂石对地铁的施工构成了影响，因此必须研究大漂石对盾构机选型的影响和对大漂石的处理问题。1 大漂石对盾构
2、选型的影响大漂石通常是指地下粒径大于 200mm 的大石块，通常赋存在砂卵石地层或其他土层中，其空间分布具有较大的随机性，很难找到规律，不易被钻探发现，故给盾构施工造成极大困难。对施工和设备的影响主要表现在刀具磨损严重、刀座变形、刀具更换困难；刀盘磨耗导致刀盘强度和刚度降低，引起刀盘变形；刀盘受力不均匀导致主轴承受损或主轴承密封被破坏；刀盘堵塞，盾构机负载加大等，更有甚者是大漂石无法破碎，致使盾构掘进受阻或偏离线路。盾构穿越砂卵石地层时，刀具磨耗和大漂石的排出是影响盾构掘进的两个主要问题。刀具磨耗通常通过提高刀具耐磨性和掘进中途换刀来解决。大漂石的排出问题比较复杂，处理方式因地质条件、盾构的类
3、型以及刀盘和出渣装置的结构和形式而有所不同。2一般对于最大卵石直径不超过 200mm 的砂卵石地层，可采用常规排除方式，即要求在盾构选型和刀盘设计时，按可能通过的最大卵石直径确定刀盘开口率和开口宽度，并配备与上述卵石直径条件相适应的螺旋输送机排出大卵石。对开挖坚实稳定的地层可考虑采用轮辐式刀盘。当最大卵石直径超过 200mm 时（即为大漂石），如果采用常规排除方式就必须增大刀盘开口，增大螺旋输送机的直径。这一方面会因刀盘开口增大影响开挖面稳定，另一方面也会因螺旋输送机直径增大引起排渣装置成本增加并造成盾构空间布置困难。因此必须考虑工作面破碎方式。工作面破碎方式要求在盾构刀盘上设计安装可对大漂石
4、或卵石进行破碎的刀具，对石块进行先行破碎，破碎后的小块岩渣经刀盘开口进入土压仓，再通过螺旋输送机或排泥管道排出。工作面破碎方式不仅能减小刀盘面板的开口率和开口宽度，而且可尽量减小开挖大漂石引起的土壤松动，从而有利于开挖面的稳定。用于破碎的刀具可选用盘形滚刀或齿式刀头。齿式刀头依靠冲击力破岩，盘形滚刀则是依靠挤压和冲击破岩，这就要求地层提供足够的反作用力。如果大漂石在围岩中压埋不很牢固，地层松软，当刀头碰到大漂石时大漂石仅会简单地偏移或被弹开。由于不能传递破碎力，因此达不到破碎的目的。而且被刀盘推向隧道侧面的大漂石甚至会导致盾构转向，使盾构偏离隧道设计轴线。2 隧道开挖过程中大漂石的行为预测尽管
5、用盘形滚刀破碎大漂石常常是非常有效的方法，但是一些工程的实际情况表明在某些地质条件下隧道中的大漂石不能被破碎，必须采取其他方式处理。这就需要对大漂石的行为及其所存在的地质状况进行研究，以便对大漂石的行为进3行预测，从而提高隧道的开挖效率。2.1 盾构掘进时大漂石的行为当认为大漂石位于隧道轴线上时，必须采用混合式刀盘。这种形式的刀盘使用切刀、刮刀、齿刀和盘形滚刀等刀具。盘形滚刀通常能破碎过大、不适合进入盾构渣土处理系统的大漂石。这里存在这样的问题，盘形滚刀在一些工程中破碎大漂石极为有效，而在另外一些工程中却根本无效。在硬土层中对大漂石破碎通常比较有效，此时盘形滚刀随着刀盘的转动而滚动或滑过土层直
6、接撞击和切割遇到的大漂石。盘形滚刀以点载荷作用于大漂石，使岩石碎片剥落，直到大漂石破碎。如果岩石碎片较小，它们就可以穿过刀盘进入机器。如果碎片仍就很大，它们就必须由盘形滚刀进一步破碎。只要石头是埋在土层中被牢牢地固定在其位置上，盘形滚刀就能够冲击和破坏任何形状且非常坚硬的大漂石。有时盘形滚刀破碎不了大漂石，此时大漂石往往被刀盘的旋转推力弹开或被推向隧道旁边。若大漂石处在盾构的外侧，它们实际上可能会挤压盾构使其偏离方向。如果隧道左侧土壤软弱，而右侧是坚硬的大漂石，机器将转向阻力最小的左侧，如果这种情况过大，隧道的轴线将偏斜。若土质太软弱，固定不住大漂石，不能产生足够的破碎反力，大漂石就会随着土体
7、的破坏而移动或被刀具弹开，而且会在刀盘前面循环，挡在排土口并损坏刀具。这种情况下，操作工人必须进入开挖面人工清除大漂石。清除大漂石的工作对于工作人员和工程项目都很危险，开挖面崩塌可能会使施工人员伤亡，也可能引起隧道顶部地面过大的沉降。在这种情况下进入开挖面是不可能的，解决的办法是提高周围土壤的剪切强度，通常是从地面泵入浆液或通过刀盘向开挖面地层注入浆液对土体进行加固。这个方法非常有效，但要求隧道4暂停掘进。因此造成时间耽搁和成本增加。2.2 大漂石行为的预测方法虽然适当的地质调查能够揭示出盾构掘进时是否会遭遇大漂石,但是隧道开挖时大漂石的许多行为以及它对盾构掘进的影响仍然是未知的。常用的预测方
8、法有简单承载能力法和有限元法。 2.2.1 简单承载能力法通常大漂石的切削计算用简单承载能力法，即将盘形滚刀施加的力以点载荷到条形载荷作用于大漂石，如果最终的压力值超过土壤的承受能力，大漂石将移动。该法简单实用，但也有一些不足。首先，刀具上的载荷难以确定。虽然盾构千斤顶的推力是已知的，但盾壳表面摩擦引起损失的确切数值是未知的，该力转换到每个刀具上的确切数值也是未知的。而且在硬岩上只有盘形滚刀与开挖面接触，但在软土隧道中，整个刀盘的表面都推向了土壤，尽管盘形滚刀被安装凸前于其他刀具，可以假设它作用于大漂石上的力将比刀盘表面其他部分作用的推力的比率更大。但是同样难以确定盘形滚刀上力的确切数值。此外
9、，简单承载能力法有概念上的弱点，该法是为浅基础而开发的，因此没有考虑剪切强度方面的限制，在埋深大的隧道中会造成巨大的差异。承载能力法也不能揭示大漂石的破碎机理。因此应考虑预测大漂石行为的另一种方法。2.2.2 有限元法有限元法是一种数值方法，如图 1 所示。有限元程序可以模拟位于盾构刀盘前面的一块材料（如大漂石）和地基。在有限元模型中盘形滚刀对大漂石的作用以一个节点位移来模拟。每一位移之后，有限元程序可通过岩石破坏标准检验大漂石的应力水平，当超过其强度极限时，将引起大漂石破坏。程序也可以检查和计算地基的反力。随着盾构的推进，当地基的反力不再增加时则意味着土壤已经发挥了其强度的所有能力以抵抗位移
10、。当土壤不能抵抗任何更大的位移时，岩石将在持续5的载荷作用下移动。这种岩石运动说明了土壤已经破坏，不能固定住大漂石。有限元计算可将岩石和土壤之间的关系量化，即根据大漂石与土壤的剪切强度比率预测盘型滚刀能否有效破坏大漂石。研究还表明当大漂石的剪切强度比土壤大 600 倍时，大漂石将表现出无限强大。它不会被破碎，但会像固体物体一样移动。有限元计算还可预测当大漂石富集成群或分散分布时对大漂石破碎的影响。3 大漂石的处理方法开挖混有大漂石的砂卵石地层时，盾构选型通常主张选用密闭式泥水式盾构或加泥式土压平衡盾构。3.1 泥水式盾构泥水式盾构处理大漂石方式有两种，一种是工作面破碎 + 机内破碎，即在工作面
11、利用刀盘上布置的盘形滚动刀将大漂石破碎至 300400mm，岩石碎块和砂卵石通过刀盘上的开口进入机内，在机内进行第二次破碎，其破碎设备可放在土压仓内，如图 2。也可设在后方排泥管之前，将砾石再次破碎后，才进入排泥管。另外一种是工作面破碎 + 砾石分级，盘形滚刀将大漂石在工作面进行破碎之后，利用在土压仓与排泥管之间设置的旋转式分级器进行砾石分级处理，将粒径大于5070mm 的砾石分离出来，采用斗车等运输工具运至洞外。泥水式盾构一般可以连续输送的砾石长径应小于排泥管直径的 1/3。通常排泥管直径为 100200mm，因此被排除的砾石直径最多为 5070mm。可见，在含有大粒径砂卵石地层中采用泥水式
12、盾构，需要对砾石进行两次处理，出土效率降低。3.2 加泥式土压平衡盾构加泥式土压平衡盾构采用螺旋输送机进行排土，由于配备的螺旋机直径受到盾6构机尺寸的限制，所以可能排除的卵石直径受到限制，如中轴式螺旋输送机直径为 700mm 时，通过最大砾石粒径为 250mm，采用带式螺旋输送机虽然可以连续排除砾石的粒径要大得多，但是对于少见的大于 600mm 的漂石输送亦有困难，所以仍需利用刀盘上的滚刀将大粒径的漂石破碎至 300400mm，然后通过刀盘上的开口进入机内后采用带式螺旋输送机排土，所以采用加泥式土压平衡盾构只进行一次破碎，且破碎的数量较少，出土效率高。4 结 论1）大漂石的存在影响盾构机的选型。在盾构机选型前必须首先掌握隧道掘进线路的地质资料和数据，确定大漂石的存在和分布情况以及它的直径和数量，以决定盾构和刀盘的选型以及盘形滚刀的布置。2）大漂石的行为可以预测。计算结果表明大漂石与土壤的剪切强度比率是决定大漂石破裂可能性的关键。3）对大漂石切削性的认识十分重要。施工企业可在现场调查期间，通过对土壤和岩石特性的确定，在工程建设开始之前对潜在的大漂石问题进行鉴别，及早确定施工对策和处理方案。这样就不会等到问题出现时，要停止所有隧道掘进工作，一直等到土体完成加固。总之，毫不夸张地说大漂石是隧道有效和成功掘进的障碍。如果它们的行为能被预测，施工企业和业主就能获得更大的利益。
